نظام تسجيل تخطيط كهربية الدماغ منخفض التكلفة جنبا إلى جنب مع ملف بحجم ملليمتر لتحفيز دماغ الفأر عبر الجمجمة في الجسم الحي
Summary
يقترح نظام تسجيل كهربية الدماغ منخفض التكلفة مع ملف بحجم المليمتر لدفع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة لدماغ الفأر في الجسم الحي. باستخدام أقطاب كهربائية لولبية تقليدية مع ركيزة صفيف متعددة الأقطاب مصنوعة خصيصا ومرنة ومتعددة الأقطاب ، يمكن إجراء تسجيل متعدد المواقع من دماغ الفأر استجابة للتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة.
Abstract
يقترح هنا نظام تسجيل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) منخفض التكلفة لدفع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) لدماغ الفأر في الجسم الحي ، باستخدام ملف بحجم المليمتر. باستخدام الأقطاب اللولبية التقليدية جنبا إلى جنب مع ركيزة صفيف متعددة الأقطاب الكهربائية مصنوعة خصيصا ومرنة ، يمكن إجراء تسجيل متعدد المواقع من دماغ الماوس. بالإضافة إلى ذلك ، نوضح كيف يتم إنتاج ملف بحجم ملليمتر باستخدام معدات منخفضة التكلفة توجد عادة في المختبرات. كما يتم تقديم الإجراءات العملية لتصنيع ركيزة الصفيف المرنة متعددة الأقطاب الكهربائية وتقنية الزرع الجراحي للأقطاب اللولبية ، وهي ضرورية لإنتاج إشارات EEG منخفضة الضوضاء. على الرغم من أن المنهجية مفيدة للتسجيل من دماغ أي صغير ، فإن هذا التقرير يركز على تنفيذ القطب في جمجمة فأر مخدرة. علاوة على ذلك ، يمكن تمديد هذه الطريقة بسهولة إلى صغير مستيقظ متصل بكابلات مربوطة عبر محول مشترك ويتم تثبيته بجهاز TMS على الرأس أثناء التسجيل. تم وصف الإصدار الحالي من نظام EEG-TMS ، والذي يمكن أن يتضمن 32 قناة EEG كحد أقصى (يتم تقديم جهاز به 16 قناة كمثال به عدد أقل من القنوات) وجهاز قناة TMS واحد. بالإضافة إلى ذلك ، يتم الإبلاغ لفترة وجيزة عن النتائج النموذجية التي تم الحصول عليها من خلال تطبيق نظام EEG-TMS على الفئران المخدرة.
Introduction
يعد التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) أداة واعدة لعلوم الدماغ البشري والتطبيق السريري وأبحاث النماذج الحيوانية بسبب غزوها غير / المنخفض. خلال المرحلة المبكرة من تطبيقات TMS ، اقتصر قياس التأثير القشري استجابة ل TMS أحادي النبض ومزدوج النبضة في البشر والحيوانات على القشرة الحركية. اقتصر الناتج القابل للقياس بسهولة على الجهود الحركية المستحثة والجهود الكهرومغناطيسية المستحثة التي تشمل القشرة الحركية 1,2. لتوسيع مناطق الدماغ التي يمكن قياسها عن طريق تعديل TMS ، تم دمج تسجيل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) مع TMS أحادي النبضة والمزدوجة كطريقة مفيدة للفحص المباشر للاستثارة والاتصال والديناميكيات الزمانية المكانية للمناطق في جميع أنحاء الدماغبأكمله 3،4،5. وهكذا ، تم استخدام التطبيق المتزامن لتسجيل TMS و EEG (TMS-EEG) على الدماغ لاستكشاف مختلف مناطق الدماغ القشرية السطحية للإنسان والحيوان للتحقيق في الدوائر العصبية داخل القشرة (انظر Tremblay et al.6). علاوة على ذلك ، يمكن استخدام أنظمة TMS-EEG لفحص الخصائص الزمانية المكانية القشرية الإضافية ، بما في ذلك انتشار الإشارات إلى مناطق قشرية أخرى وتوليد نشاط تذبذبي 7,8.
ومع ذلك ، فإن آلية عمل TMS في الدماغ لا تزال تخمينية بسبب عدم غزو TMS ، مما يحد من معرفتنا بكيفية عمل الدماغ أثناء تطبيقات TMS. لذلك ، فإن الدراسات الانتقالية الغازية في الحيوانات التي تتراوح من القوارض إلى البشر لها أهمية حاسمة لفهم آلية تأثيرات TMS على الدوائر العصبية ونشاطها. على وجه الخصوص ، بالنسبة لتجارب TMS-EEG المدمجة في الحيوانات ، لم يتم تطوير نظام التحفيز والقياس المتزامن بشكل مكثف للحيوانات الصغيرة. لذلك ، يطلب من التجريبيين بناء مثل هذا النظام عن طريق التجربة والخطأ وفقا لمتطلباتهم التجريبية المحددة. بالإضافة إلى ذلك ، تعد نماذج الفئران مفيدة من بين نماذج الأنواع الحيوانية الأخرى في الجسم الحي لأن العديد من سلالات الفئران المحورة وراثيا والمعزولة عن الإجهاد متاحة كموارد بيولوجية. وبالتالي ، فإن طريقة ملائمة لبناء نظام قياس مشترك TMS-EEG للفئران سيكون مرغوبا فيه للعديد من الباحثين في علم الأعصاب.
تقترح هذه الدراسة طريقة مشتركة بين TMS-EEG يمكن تطبيقها للتحفيز والتسجيل المتزامن لدماغ الفأر ، وهو النوع الرئيسي من الحيوانات المعدلة وراثيا المستخدمة في البحث ، والتي يمكن بناؤها بسهولة في مختبرات علم الأعصاب النموذجية. أولا ، يتم وصف نظام تسجيل EEG منخفض التكلفة باستخدام أقطاب لولبية تقليدية وركيزة مرنة لتعيين موضع صفيف قطب كهربائي بشكل متكرر في كل تجربة. ثانيا ، يتم إنشاء نظام تحفيز مغناطيسي باستخدام ملف بحجم المليمتر ، والذي يمكن بسهولة تصنيعه حسب الطلب في المختبرات النموذجية. ثالثا ، يسجل النظام المشترك TMS-EEG النشاط العصبي استجابة للتحفيز الصوتي والمغناطيسي. يمكن أن تكشف الطريقة المقدمة في هذه الدراسة عن الآليات التي تولد اضطرابات محددة في الحيوانات الصغيرة ، ويمكن ترجمة النتائج التي تم الحصول عليها في النماذج الحيوانية لفهم الاضطرابات البشرية المقابلة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تتناول هذه الدراسة نظام تسجيل EEG متعدد المواقع جنبا إلى جنب مع نظام تحفيز مغناطيسي مصمم للحيوانات الصغيرة ، بما في ذلك الفئران. النظام الذي تم إنشاؤه منخفض التكلفة ويمكن بناؤه بسهولة في المختبرات الفسيولوجية ، ويمكنه توسيع إعدادات القياس الحالية. الإجراء الجراحي اللازم للحصول على البيان?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة موراتا للعلوم ، ومؤسسة سوزوكين التذكارية ، ومؤسسة ناكاتاني للنهوض بتقنيات القياس في الهندسة الطبية الحيوية ، ومنحة مساعدة للبحوث الاستكشافية (رقم المنحة 21K19755 ، اليابان) وللبحث العلمي (B) (رقم المنحة 23H03416 ، اليابان) إلى T.T.
Materials
| 3D printer | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | FFD-101 | The printer used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| ATROPINE SULFATE 0.5 mg | NIPRO ES PHARMA CO., LTD. | – | Atropine sulfate |
| Bipolar amplifier | NF Corp. | KIT61380 | For amplifying waveforms for coil input |
| Butorphanol | Meiji Seika Pharma Co., Ltd., Tokyo, Japan |
– | For anathesis of animals |
| Commercial manufacturer of flexible 2D array | p-ban.com Corp. | – | URL: https://www.p-ban.com/ |
| Computer prograom to analyze output signals | Natinal Instruments | NI-DAQ and NI-DAQmx Python | To analyze output signals from the hall-effect sensor |
| Connector | Harwin Inc. | G125-FV12005L0P | For connector to conect to the measuring system |
| Copper pad | p-ban.com Corp. | copper | Copper pad on each substrate |
| Copper wire | Kyowa Harmonet Ltd. | P644432 | The windings of the coil |
| DAQ board | National Instruments Corp. | USB-6343 | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| Dental cement | SHOFU INC. | Quick Resin | Self-Curing Orthodontic Resin |
| ECoG electrode | NeuroNexus Inc. | HC32 | For reference to design of the flexible 2D array |
| Epoxy resin | Konishi Co. Ltd. | #16123 | For coil construction |
| Ethyl Carbamate | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corp. | 050-05821 | For urethan anesthesia |
| Flat ribbon cable | Oki Electric Cable Co., Ltd. | FLEX-B2(20)-7/0.1 20028 5m | For cable to connect between surface-mount connector and measuring sysytem |
| flexible substrate | p-ban.com Corp. | polyimide | Baseplate of flexible substrate |
| Function generator | NF Corp. | WF1947 | For generating waveforms for coil input |
| Hall-effect sensor | Honeywell International Inc. | SS94A2D | For measuring the magnitic flux density of the coil |
| IDC crimping tool | Pro'sKit Industries Co. | 6PK-214 | To crimp the IDC and one end of the flat ribbon cable; Flat cable connector crimping tool |
| Instant glue | Konishi Co. Ltd. | #04612 | For coil construction |
| Insulation-displacement connector (IDC ) | Uxcell Japan | B07GDDG3XG | 2 × 10 pins and a 1.27 mm pitch |
| LCR meter | NF Corp. | ZM2376 | For measuring the AC properties of the coil |
| Manipulator | NARISHIGE Group. | SM-15L | For manipulating the coil |
| Medetomidine | Kobayashi Kako, Fukui, Japan | – | For anathesis of animals |
| Midazolam | Astellas Pharma, Tokyo, Japan | – | For anathesis of animals |
| Miniature screw | KOFUSEIBYO Co., Ltd. | S0.6*1.5 | For EEG-senseing and reference electrode |
| Mouse | Japan SLC, Inc. | C57BL/6J (C57BL/6JJmsSlc) | Experimental animal |
| Permalloy-45 rod | The Nilaco Corp. | 780544 | The core of the coil |
| Recording system | Plexon Inc. | OmniPlex | For EEG data acquisition |
| Stainless wire | Wakisangyo Co., Ltd. | HW-136 | For grasp by manipulator |
| Stereotaxic apparatus | NARISHIGE Group. | SR-5M-HT | To fix a mouse head |
| Surface-mount connector | Useconn Electronics Ltd. | PH127-2x10MG | For connector to mount on the flexible 2D array |
| Testing equipment (LCR meter) | NF Corp. | ZM2372 | Contact check and impedance measurements |
| White PLA filament | Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., Ltd | PLA-F13 | The material used for 3D-printing the donut-shaped disks |
| Xylocaine Jelly 2% | Sandoz Pharma Co., Ltd. | – | lidocaine hydrochloride |
References
- Ilmoniemi, R. J., et al. Neuronal responses to magnetic stimulation reveal cortical reactivity and connectivity. Neuroreport. 8 (16), 3537-3540 (1997).
- Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
- Thut, G., Pascual-Leone, A. Integrating TMS with EEG: How and what for. Brain Topography. 22 (4), 215-218 (2010).
- Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. Methodology for combined TMS and EEG. Brain Topograpy. 22 (4), 233-248 (2010).
- Daskalakis, Z. J., Farzan, F., Radhu, N., Fitzgerald, P. B. Combined transcranial magnetic stimulation and electroencephalography: its past, present and future. Brain Research. 1463, 93-107 (2012).
- Tremblay, S., et al. Clinical utility and prospective of TMS-EEG. Clinical Neurophysiology. 130 (5), 802-844 (2019).
- Pellicciari, M. C., Veniero, D., Miniussi, C. Characterizing the cortical oscillatory response to TMS pulse. Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 38 (2017).
- Lin, Y. J., Shukla, L., Dugue, L., Valero-Cabre, A., Carrasco, M. Transcranial magnetic stimulation entrains alpha oscillatory activity in occipital cortex. Scientific Reports. 11 (1), 18562 (2021).
- Takahashi, S., et al. Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording. IEEJ Transactions Electrical and Electronic Engineering. 14 (2), 303-311 (2019).
- Yoshikawa, T., Higuchi, H., Furukawa, R., Tateno, T. Temporal and spatial profiles of evoked activity induced by magnetic stimulation using millimeter-sized coils in the mouse auditory cortex in vivo. Brain Research. 1796, 148092 (2022).
- Tang, A. D., et al. Construction and evaluation of rodent-specific rTMS coils. Frontiers in Neural Circuits. 10, 47 (2016).
- Li, L. Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55 Ni-Fe toroid cores. IEEE Transactions on Magnetics. 37 (4), 2315-2317 (2001).
